[发明专利]经由动态光学投影的无分层生物打印及其用途

说明书

一种用于3D微制造的系统和方法，该用于3D微制造的系统和方法将能够引发光聚合的光朝向一个空间光调制器投影，该空间光调制器调制响应于对应于结构的层的数字掩模的光。投影光学器件将该调制光聚焦在支持于一个载物台上的一种可光聚合材料内的一个光学平面上。一种计算机控制器使得该空间光调制器投影出对应于这些数字掩模的一种图像序列，同时协调该载物台的移动以移动该光学平面在该可光聚合材料内的位置以依序投影出该序列的每个图像从而通过逐渐地光聚合该可光聚合材料产生该结构。

相关申请

本申请要求2014年5月20日提交的美国临时申请号62/001,025的权益，该临时申请通过引用以其全文结合在此。

政府权利

本发明是在由美国国立卫生研究院授予的基金号EB012597下的政府支持下进行的。政府对本发明具有某些权利。

发明领域

本发明涉及一种用于微制造光聚合物的三维结构和用于制造具有平滑(无分层)轮廓的生物支架的方法。

发明背景

传统的细胞培养通常在培养皿中进行，并且更普遍使用的细胞生物技术依赖于培养的细胞在2D平台上的使用。众所周知，细胞基底的机械特性影响细胞的分化、生长和能动性。因此，当设计细胞支架时，材料的机械特性是重要考虑的。为了模拟实际的细胞环境，有必要使用3D生物制造方法而非2D图案化方法创建3D功能组织模型。此外，制造过程和/或材料必须是细胞友好型的。用于生物支架的目前制造系统利用了诸如生物喷墨打印和光栅激光投影的方法，这些方法在可扩缩性和速度方面是受限的，并且不能创建复杂结构和可扩缩的组织构建体。浇铸方法可以实现基本几何结构，但不能复制具有复杂仿生特征和纵横比的复杂3D几何结构。激光微光固化快速成型(激光-μSL)技术已因它们创建3D支架的能力而变得流行[马皮力(Mapili)等人，2005；甘赛尔(Gansel)等人，2009]。然而，使用激光-μSL的支架制造通常由于逐点的激光扫描而较慢。许多现有的逐层式光固化快速成型方法的特征不在于动态变化的掩模和同时发生的载物台移动，并且因此产生不希望的层伪影(artifacts)，这些层伪影可以改变细胞应答并且不反映出真实的天然生理学。

一种已被碳3D公司(Carbon3D,Inc.)(雷德伍德城(Redwood City)，加利福尼亚州(CA))商业化用于浸没式打印聚合物纳米结构的方法涉及将图像投影通过液体树脂贮存池的透明底板，同时当树脂固化在基底的底部上时逐渐地将浸没的基底抬离底板。池的透氧透明底板使得溶解氧的“死区”抑制池底板处的聚合。碳3D系统中使用的技术描述在授予约瑟夫·德西蒙尼(Joseph M.DeSimon)等人的许多美国专利(公布的和等待审批的)中，包括号8,263,129，该专利通过引用结合在此。碳3D系统的贮存池和基底保持静止，其中仅浸没的基底在z轴线内移动以在打印行进时将打印的对象抬离底板，这限制了可以创建的形状的多样性。此外，技术对浸没的依赖性限制了可以使用的材料的类型和组合。

常规的光固化快速成型方法并不非常适于复杂的细胞支持性3D微结构的高通量制造，特别是在生命科学中普遍使用的基底诸如多孔板内尤其如此。这些缺点严重限制了3D打印细胞培养方法的广泛采用，因为研究者常常依赖于被配置成与已建立的实验工作流程成为一体的普遍使用的实验仪器接口的产品。多孔细胞培养板(除显微载片、培养皿、细胞培养烧瓶等之外)常常用作在上面设计专门培养环境的事实标准。在多孔板内，许多3D水凝胶细胞培养平台特征在于生物相容性和/或生物衍生的材料，这些材料是已聚合的或以其他方式制造的，但是典型地作为非图案化的体结构。类似地，还在多孔或标准显微载玻片形式上开发了具有集成的微流体或多电极阵列的高通量细胞培养系统。